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零地電壓問題一直困擾著數據中心IT電子設備用戶，零地電壓問題直接影響到數據中心穩定運行，以及IT電子設備的使用壽命。正確處理零地電壓問題，對于維護整個數據中心的安全、穩定運行至關重要。本文分別對數據中心零地電壓產生的原因、零地電壓對IT電子設備負載的影響以及如何控制零地電壓三個方面進行專門論述，本文重點針對經常被IT電子設備用戶忽略的十分嚴重的問題----損害數據中心IT電子設備數據可靠性的零地電壓共模噪聲問題進行了分析。
1.零地電壓共模噪聲產生的原因：
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1.1.零地電壓共模噪聲定義
什么是零地共模噪聲?根據下列美國軍方標準MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個電子信號上的任何不想要的對地或公共點噪聲干擾電壓(圖 1)，和差模噪聲一樣，共模噪聲是從不想要噪聲源藕合過來的噪聲，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及電磁藕合。從圖2看出，零地電壓屬于共模噪聲一種，通常是指在一條典型的交流電源線的中線端和接地端之間可測量的干擾電壓。這是零地共模噪聲標準的定義。另外,共模噪聲還可在火線和接地端之間被測量出來，本文不作討論。
MIL-HDBK-419A
1.2.零地電壓產生原因理論分析
1.2.1數據中心低壓供電TN-S接地系統
一般而言，我國的數據中心380V低壓供電接地系統為TN-S系統，零線與地線在供電變壓器的輸出次級處相連，如圖3。從380V低壓變壓器次級引出5根線，即3根火線外加零線、地線各1根到電源設備，再由電源設備給用電設備供電。
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圖3：設備的配電示意圖
從供電變壓器到電源設備以及從電源設備到用電IT設備的配電部分在電路上等效為以電阻、電感和電容組成的電抗。為了分析零地電壓的產生機理，圖4畫出了從變壓器到電源設備及IT設備的零線和地線的電路模型(m代表IT設備前端電源設備)，用于電路分析。
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圖4：配電線路的電路模型
1.2.2 零地電壓產生原因的理論分析
如圖4所示，零線電阻由RN1，RN2直到RNm和RN組成;零線電感由LN1，LN2直到LNm和LN組成;地線電阻由RG1，RG2直到RGm和RG組成;地線電感由LG1，LG2直到LGm和LG組成;零線與火線之間存在寄生電容，分別用C1，C2直到Cm組成。電源設備中的Cm是電源設備EMC濾波電容,IT設備中的CIT是IT設備EMC濾波電容。
根據下列IEEE1100 6.4.1.1.5描述,低零線阻抗可以減小零地電壓和共模噪聲,圖4中IT設備零線電流I主要由負載三相不平衡原因和負載非線性電源原因產生。
如圖4所示，IT設備零線電流I的絕大部分從零線流回到輸入變壓器，有很少一部分從寄生電容中通過地線流回變壓器，分別是I1，I2和Im。這些電流流過導線要產生電壓，圖4中各點對變壓器端接地的電壓值分別為Vn1， Vn2... VN，VG1，VG2，...VG。
由圖4可見，通常我們在IT設備處測得的IT設備輸入零地電壓是
VNG=VN-VG
如果我們先不考慮零線與地線之間的寄生電容，并忽略IT設備中EMC濾波電容的影響，那么根據下列IEEE1100 6.4.1.1.6對地線的定義，地線目的是提供一個0V參考點,地線電流為零,再考慮多點接地，那么VG=0，
因此IT設備輸入零地電壓是
VNG=VN-VG= VN-0= VN =In1*RN1+In2*RN2+…+Inm*RNm+I*RN+In1*jωLN1+In2*jωLN2+... +Inm*jωLNm+I*jωLN
其中電阻RNx以及電感LNx等與電纜的長度，線徑和材料有關。
從該公式可以看到，零地電壓的形成與輸入配電電纜有很大的關系。同時零線中電流的大小和頻率也影響著零地電壓。電纜越長，線徑越細，導電性能越差，零線中的電流越大，電流頻率越高，零地電壓就越大。
2、零地電壓共模噪聲的危害
我們回顧一下共模噪聲及其產生會數據干擾的定義：
根據下列美國軍方標準MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個電子信號上的任何不想要的對地或公共點噪聲干擾電壓，和差模噪聲一樣，共模噪聲是從不想要噪聲源藕合過來的噪聲，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及電磁藕合。
盡管共模噪聲不是一個噪聲源,但該共模噪聲干擾電壓必須在數據設備放大器中小心設計以防止其對電子信號元器件的干擾。
MIL-HDBK-419A
2.1.零地電壓產生高頻藕合循環電流和共模噪聲干擾電壓
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圖5：I高頻藕合循環電流回路
下面重點介紹由于零地電壓作用在零線與地線之間的寄生電容，以及作用在電源和負載設備零地之間EMC濾波電容Cm和C上所產生的高頻藕合循環電流回路共模噪聲對IT負載數據的影響。如圖5所示,即使設備多點接地,但由于Cm和C這些電容搭橋存在，在零地電壓VNG作用下，根據美國軍方標準MIL-HDBK-419A Standard容性藕合方式，將形成一個圖5右端所示高頻藕合循環電流回路,從而產生如圖6中IT計算機設備零地共模噪聲干擾電壓波形。由于這些電容會耦合一些電流到地線中，因此會在零線和地線中形成一定的干擾電壓。零線與地線耦合越強，耦合電流就越大，產生零地電壓模噪聲干擾電壓的影響就越大。事實上所有基于IT計算機設備系統都由兩種共同部分組成：半導體芯片(包括中央處理機、存儲器和外圍設備組件)和開關電源(用于將輸入電源轉換為中央處理機和支持硬件所需電壓)。零地共模噪聲干擾電壓對這兩部分系統都有嚴重影響!
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圖6 零地共模噪聲干擾電壓如何干擾數據流
2.2 零地共模噪聲干擾數據流(對半導體影響)：
目前IT設備產品使用的半導體對噪聲非常敏感,很多半導體部件的電源工作電壓被設計為 1.5 或 3.3 伏，甚至有的設計成1.3伏。由于電壓很低，這些部件之間的信號很容易受到失真影響，所以可能會傳輸錯誤的數據。在一些情況下，由于某種形式的糾錯程序仍在運行，這只會使系統變慢;但在其他情況下，數據錯誤會導致系統丟包、誤碼、被鎖定或崩潰。當噪聲找到進入計算機之間的數據傳輸的路徑時(例如因為在數據中心直流地、交流地與安全地最后都共用一個接地系統，當噪聲干擾電壓找到進入計算機直流系統干擾路徑時，易對直流系統產生沖擊),將直接影響系統數據可靠性，該共模噪聲干擾電壓級別可能很低，雖然低到無法破壞硬件，但卻可能使傳輸數據丟包、誤碼甚至導致數據崩潰，例如圖6最下端干擾圖，CPU時鐘300MHZ,芯片工作電壓1.5V, ,而圖6最下端干擾圖中顯示零地共模噪聲干擾電壓達到1.5V或更高時,它完全能夠觸發電子信號所有上升沿和下降沿, 使數據崩潰甚至鎖定整個電子信號。而一旦鎖定整個電子信號，這時候需要重新發送數據。若此情況經常發生，網絡速度將會變慢。正是通過這些方式，零地共模噪聲干擾電壓也嚴重妨礙計算機網絡以最高效率和速度運行。
2.3 零地共模噪聲對IT設備開關電源影響：
大多數IT設備開關電源用于將輸入電源轉換為中央處理機和支持硬件所需電壓，而該開關電源輸出的“直流地”或端通常與IT設備的金屬底座相連接。為了確保供電安全，該底座同時連接到輸入電源線地線。正是通過該潛在路徑，共模噪聲干擾電壓才經常從電源地線藕合進入計算機的設備。部分共模噪聲除了通過電源進入系統邏輯來干擾數據外,還會造成開關電源本身誤導通和誤觸發。如果噪聲干擾電壓過大，開關電源本身會被共模噪聲干擾電壓破壞，甚至IT設備中的半導體裝置很可能會發生混亂或被共模噪聲干擾電壓損壞。
3、零地電壓共模噪聲的控制
3.1. 如何控制零地電壓共模噪聲：
因為零地電壓是影響機器運行可靠性的重要因素，零地電壓高會造成機器故障或損害，所以必須對它加以控制。因為零地電壓的形成原因很復雜，所以控制要有針對性。主要考慮的問題和解決的途徑如下：
3.1.1保障三相負載平衡。如果三相負載不平衡，零線N上的電流就會加大，零線N兩端的電壓差就會直接造成零地電壓增大。因此，在可能的條件下要盡量配平三相負載，定期根據負載的使用變化監測三相負載不平衡度,并進行必要的調整。此外，還可以通過增加零線截面積，減少零線的阻抗，從而在一定程度上降低零地電壓共模噪聲干擾。
3.1.2建立良好的接地系統，盡量降低接地電阻。接地電阻與零地電壓呈正向關系,接地電阻一高，很小的電流都會產生零地電壓，所以一定要降低接地電阻。在計算地線線徑問題時，在考慮了系統可能的最大用電量和安全的基本需求后，需要特別計算電纜長度，對數據中心不同高度樓層使用的不同線徑的地線，盡量減小接地電阻。
3.1.3盡量選用綠色的、諧波干擾小的用電設備。必要時還可安裝相應抑制高次諧波的有源或無源濾波設備，因為降低高次諧波,就降低了零線電流，這樣就大大降低零地電壓共模噪聲。
3.1.4.在靠近IT設備端加裝隔離變壓器
3.1.4.1隔離變壓器方案描述
根據下列IEEE 1100-2005 8.5.3.2中8-18圖示以及IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3 標準描述，在靠近IT設備端的PDU或精密配電柜中加裝隔離變壓器是降低零地電壓共模噪聲的有效措施。特別在零地電壓過高，上面一般方法無法控制零地電壓的情況下，為保證IT設備負載可以正常運行，如8-18圖示可以采用在靠近IT設備端的PDU或精密配電柜中加裝隔離變壓器，產生一個獨立的電源系統(Separately derived source)，獨立的電源系統就可以將變壓器次級的零地接在一起,并就近接地,這樣就可以大大降低IT設備端零地電壓。
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3.1.4.2. K factor隔離變壓器
在下列IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3標準中也提到可以選用K因數變壓器(K factor)隔離變壓器來降低零地電壓。K型變壓器是一種專為計算機負載布設計的、能消除諧波污染的特殊隔離變壓器。衡量這種變壓器質量高低的指標為K值。
式中的n為諧波的次數，In為n次諧波的電流分量的含量。K值越大，變壓器消除諧波干擾的能力就越強。目前，常見的K型變壓器，按它們K值變壓器可分為K1、K4、K9、K13、K20等幾個額定級別(雖然還有K30、K40、K50型號變壓器，但從實際來看，K因數超過20的負載并不常見，大型計算機測得的K因數通常為4到9，高集中單相計算機和終端區測得的K因數通常為13到17)。
3.1.4.3 IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3標準的翻譯
推薦設計安裝操作 IEEE Std 1100-2005
8.3.2.2.3電子負載設備分支電路的接口
推薦的做法是通過干式屏蔽隔離變壓器(或其它電源增強設備)，將電子負載設備的系統配置連接到大樓的配電系統上。當為電子負載設備供電的兩個或多個獨立的電力系統不能使用與電子負載設備相同的接地點時，這一做法尤為重要。隔離變壓器提供匹配的系統電壓，并創建獨立的分支電源系統。推薦的做法是，在盡可能接近電子負載設備的分支電路配電盤的位置安裝隔離變壓器和相關的電子負載設備。此外，還應正確選擇和安裝隔離變壓器。關于專為非線性電子負載設備(K 系數)供電的隔離變壓器，請參閱 8.4.1 的詳細信息。關于變壓器正確接地的詳細信息，請參閱 8.5.2。另外，隔離變壓器還內置到配電單元 (PDU)中，作為配電單元 (PDU) 的一部分進行配備，配電單元還包含內部安裝的分支電路配電盤。因此，也推薦使用 PDU 作為連接電子負載設備和配電系統接口。
3.2. 控制零地電壓到多少伏：
3.2.1. IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標準中對零地電壓要求
根據下列IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標準描述,通過在盡可能接近負載的位置安裝獨立的分支電源系統(如，變壓器、PDU)，以盡量減少在負載測得的零地電壓。
在靠近計算機類IT負載端的PDU或精密配電中心加裝隔離變壓器，并將隔離后的零線接地。這種解決方案的優點在于能夠非常有效的解決負載端零地電壓共模噪聲問題。因為將變壓器次級零線接地，這樣可以使負載端的零地電壓趨近于0V。如果配置K-Factor變壓器，則具備消除100%諧波污染的工作能力，能滿足最惡劣的計算機負載的需要。
根據以上2.2章節的分析及IEEE標準要求, 可以得出控制零地電壓到多少幅度的要求
3.2.1.1 通過在盡可能接近負載的位置安裝獨立的分支電源系統(如，變壓器、PDU)，以盡量減少在負載測得的零地電壓, 使負載端的零地電壓越小越好。
3.2.2.2 零地電壓最大值不超過CPU等半導體芯片最小工作電壓,例如導體芯片最小工作電壓是1.5V時,零地電壓不宜超過1V。
3.2.2.IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標準的翻譯
3.2.3.1 專用電路
為了給電子負載設備供電，最佳做法是安裝電子負載設備的專用分支電路。專用分支電路是具有獨立零線的電路，連接一個或多個設備，并有一條設備接地導線 EGC,這條ECG可能(或不可能)與其他前端或后端設備共地。應使用完整導線，避免或盡可能減少拼接。專用接地電路應包括一條絕緣 設備接地導線EGC，并應在該電路上鋪設專用的有效接地金屬線槽或金屬電纜套件，以最大限度減少與其他電路不必要的互相電磁噪聲干擾。當使用線槽運送大量電纜線時，各個支路的相線、零線和 地線應捆綁在一起。通過在盡可能接近負載的位置安裝獨立的分支電源系統(如，變壓器、PDU)，以盡量減少在負載測得的零地電壓。出于經濟原因，相似的負載，若設計可相互兼容，可以共用電路。例如在辦公室工作站區域，應為電子負載設備設計提供單獨的專用分支電路接線和插座，而為日用負載或高沖擊負載(如電動卷筆刀、便攜式電器)卻應提供另外單獨的接線和插座。
3.2.3.服務器安裝工程師關注零地電壓
由于零地電壓共模噪聲電壓過高會干擾計算機等IT負載的數據傳輸,甚至使這些IT負載無法正常開機。因此在用戶安裝的某些負載(例如HP小型機、IBM服務器等)時候, 服務器安裝工程師非常關注零地電壓。當有經驗的服務器安裝工程師到現場，如果測試發現用戶的供電電源的零一地電壓超過1V以上時，常常會要求用戶設法降低零一地電壓。否則，服務器工程師有可能拒絕開機啟動服務器。(見下面IBM公司iseries服務器:plan for hardware and software有關零地電壓的指導文件)。
工商網監
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